CN108448146A - 一种单板框的氧化还原液流电池电堆结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单板框的氧化还原液流电池电堆结构，所述电堆结构包括多个串联的单板框电池电堆单元结构；所述单元结构包括盖板和液流框板，盖板的反面与液流框板的正面连接；所述盖板的中央设置双极板层，所述液流框板的中央依次设置第一碳毡层、离子交换膜层和第二碳毡层；所述第一碳毡层靠近双极板层。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1.结构简化，减少了液流框板数量。2.装配简单，仅通过盖板和液流框板完成定位，不需额外装置。3.密封部位较少，易密封，不易出现漏液情况。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种单板框的氧化还原液流电池电堆结构。
背景技术
随着对太阳能，风能等可再生能源利用的日益增加，这些新型能源间歇性发电的导致的供需矛盾日益增加，大规模储能的发展势在必行。
液流电池作为一种大规模的能量储存途径，液流电池的发展对解决新能源间歇性问题有重大的帮助，可保证风能、太阳能等新能源经过储存后，调整平稳输出，减少波动。
每个单电池包括了多个部分，可完成整个氧化还原反应，通过多个单电池形成的电堆是整个液流电池的核心部件之一。在现有设计基础上提高电堆功率，效率，降低成本是必然选择。
专利CN104795577B中利用正负板框，多块盖板与导电双极板形成单元结构，形成结构解决液流电池的密封问题，解决自放电，节约原材料等优点。但该结构组成部件较多，需要正负两块板框分别形成正负极流路，依赖定位孔实现电池组装，装配麻烦，依赖与每一部分的紧密配合才能实现良好密封。
专利CN200910078434.2设计了液流电池，结构紧凑，加工方便，能够紧密装配。但同样需要正负极压板和流框板形成单元结构，依赖较多定位部件，装配较繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种单板框的氧化还原液流电池电堆结构。本发明的液流电池电堆装配简单，部件少，易密封，不易出现漏液情况，解决了液流电池装配困难以及容易漏液的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，包括盖板和液流框板，盖板的反面与液流框板的正面连接；所述盖板的中央设置双极板层，所述液流框板的中央依次设置第一碳毡层、离子交换膜层和第二碳毡层；所述第一碳毡层靠近双极板层。
优选地，所述第一碳毡层和离子交换膜层设置在液流框板的正面；所述液流框板上与第一碳毡层、离子交换膜层连接的部位设置有阶梯结构，离子交换膜层设置在第一阶梯上，第一碳毡层设置在第二阶梯上。
优选地，所述第二碳毡层设置在液流框板的反面；液流框板上与第二碳毡层连接的部位设置有阶梯结构，第二碳毡设置在第三阶梯上。
更优选地，所述第一阶梯上还设置有延周长方向设置的离子膜密封固定结构。所述离子膜密封固定结构包括设在第一阶梯上的固定凹槽。使得离子膜固封固定结构位于流动的死角，减少了流动对离子膜密封的扰动。
优选地，所述液流框板的四角对称设置有第一液流孔和第二液流孔，所述液流框板的正面延周长方向设置有第一凹槽，第一液流孔设置在第一凹槽内侧，第二液流孔设置在第一凹槽外侧；
所述第一液流孔与第一碳毡层之间的液流框板上平行设置有第一流路结构和第二流路结构；第一流路结构靠近第一液流孔，由间隔设置的多个第一凸起组成；所述第二流路结构靠近第一碳毡层的一侧面，由间隔设置的多个第二凸起组成。
优选地，所述液流框板的反面延周长方向设置有第二凹槽，第二液流孔设置在第二凹槽内侧，第一液流孔设置在第二凹槽外侧；
所述第二液流孔与第二碳毡层之间的液流框板上平行设置有第三流路结构和第四流路结构；第三流路结构靠近第二液流孔，由间隔设置的多个第三凸起组成；所述第四流路结构靠近第二碳毡层的一侧面，由间隔设置的多个第四凸起组成。
优选地，所述第一凸起之间的间隔数量少于第二凸起之间的间隔数量，第一凸起的长度大于第二凸起的长度；所述第三凸起之间的间隔数量少于第四凸起之间的间隔数量，第三凸起的长度大于第四凸起的长度。
优选地，所述盖板的四角对称设置有第三液流孔和第四液流孔，所述盖板的反面延周长方向设置有与第一凹槽相应设置的第五凸起，所述盖板的正面延周长方向设置有第二凹槽相应设置的第六凸起；所述第三液流孔与第一液流孔连通，第四液流孔与第二液流孔连通。
更优选地，所述第一凹槽与第五凸起之间、第二凹槽与第六凸起之间通过胶水或密封圈密封。
优选地，所述盖板的反面中央与第一碳毡层侧面连接，盖板的反面上与第一碳毡层连接的部位延第一碳毡层的长度方向均匀设置有多个斜流路槽，使得电解液能更靠近双极板流动，充分的浸入碳毡后在离子交换膜上完成反应。且液流可从斜流路槽由第一碳毡层的侧面进入第一碳毡层中，由此可使流场分布更均匀，进一步提高碳毡的利用率。
优选地，所述液流框板上，第一液流孔与第三液流孔连接处、第二液流孔与第四液流孔连接处均设置有密封结构。所述选密封结构内设置密封圈来实现密封。
优选地，所述液流框板的正面与盖板的反面、液流框板的反面与盖板的正面均相对设置有定位结构，所述定位结构设置在液流框板和盖板的四角处。所述定位结构可采用过盈配合的定位结构、卡扣结构等。其中所述过盈配合的定位结构可采用点配位(圆形点、方形点等)、线配位等。
优选地，所述双极板和盖板的连接方式有但不仅限于以下几类：
1.为了简化装配工艺流程，减少工件数量，可以将双极板和盖板做成一体；
2.双极板和盖板用自紧密封，靠双极板与盖板的凹凸组合方式形成密封；
3.双极板与盖板之间还可以通过外加材料的方式完成密封：如线密封方式可采用密封圈密封、填料密封等；面密封方式可采用密封胶密封、垫片密封等。
本发明还提供了一种单板框的氧化还原液流电池电堆结构，包括多个串联的前述的单元结构。前一个单元结构的第二碳毡层靠近后一个单元结构的双极板。
本发明所述的单板框的氧化还原液流单元结构的原理是：在液流框板的正面和反面同时进行反应，再通过双极板导出电流。在液流框板的正面，反应液从其中一个第三液流孔流向对应的一个第一液流孔，再通过该侧的第一流路结构和第二流路结构形成的流路通道均匀分配后浸入碳毡层中，完成反应，反应后的溶液从另一侧的第二流路结构和第一流路结构形成的流路通道依次经另一个第一液流孔、第三液流孔流出。在液流框板的反面，反应液从其中一个第四液流孔流向对应的一个第二液流孔，再通过该侧的第三流路结构和第四流路结构形成的流路通道均匀分配后浸入碳毡层中，完成反应，反应后的溶液从另一侧的第四流路结构和第三流路结构形成的流路通道依次经另一个第二液流孔、第四液流孔流出。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.结构简化，减少了液流框板数量。
2.装配简单，仅通过盖板和液流框板完成定位，不需额外装置。
3.密封部位较少，易密封，不易出现漏液情况。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构图；
图2为液流板框的正面结构图；
图3为图2中A处的放大图；
图4为液流板框的反面结构图；
图5为盖板的反面结构图；
图6为盖板的正面结构图；
图7为斜流路槽的结构图；
其中：1-盖板；2-液流框板；3-双极板层；4-第一碳毡层；5-离子交换膜层；6-第二碳毡层；7-第一阶梯；8-第二阶梯；9-第三阶梯；10-第一液流孔；11-第二液流孔；12-第三液流孔；13-第四液流孔；14-第一凹槽；15-第二凹槽；16-第一凸起；17-第二凸起；18-第三凸起；19-第四凸起；20-第五凸起；21-第六凸起；22-斜流路槽；23-定位结构；24-固定凹槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供了一种单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，如图1-图7所示，包括盖板1和液流框板2，盖板1的反面与液流框板2的正面连接；所述盖板1的中央设置双极板层3，所述液流框板2的中央依次设置第一碳毡层4、离子交换膜层5和第二碳毡层6；所述第一碳毡层4靠近双极板层3。
所述第一碳毡层4和离子交换膜层5设置在液流框板2的正面；所述液流框板2上与第一碳毡层4、离子交换膜层5连接的部位设置有阶梯结构，离子交换膜层5设置在第一阶梯7上，第一碳毡层4设置在第二阶梯8上。
所述第二碳毡层4设置在液流框板2的反面；所述的液流框板2上与第二碳毡层6连接部位设置有阶梯结构，第二碳毡层设置在第三阶梯结构9上。
所述第一阶梯7上还设置有延周长方向设置的离子膜密封固定结构。所述离子膜密封固定结构包括设在第一阶梯上的固定凹槽24。使得离子膜固封固定结构位于流动的死角，减少了流动对离子交换膜密封的扰动。
所述液流框板2的四角对称设置有第一液流孔10和第二液流孔11，所述液流框板2的正面延周长方向设置有第一凹槽14，第一液流孔10设置字第一凹槽14内侧，第二液流孔11设置在第一凹槽外14侧；
所述第一液流孔10与第一碳毡层4之间的液流框板2上平行设置有第一流路结构和第二流路结构；第一流路结构靠近第一液流孔10，由间隔设置的多个第一凸起16组成；所述第二流路结构靠近第一碳毡层4的一侧面，由间隔设置的多个第二凸起17组成。
所述液流框板2的反面延周长方向设置有第二凹槽15，第二液流孔11设置字第二凹槽15内侧，第一液流孔10设置在第二凹槽15外侧；
所述第二液流孔11与第二碳毡层6之间的液流框板2上平行设置有第三流路结构和第四流路结构；第三流路结构靠近第二液流孔11，由间隔设置的多个第三凸起18组成；所述第四流路结构靠近第二碳毡层6的一侧面，由间隔设置的多个第四凸起19组成。
所述第一凸起16之间的间隔数量少于第二凸起17之间的间隔数量，第一凸起16的长度大于第二凸起17的长度；所述第三凸起18之间的间隔数量少于第四凸起19之间的间隔数量，第三凸起18的长度大于第四凸起19的长度。
所述盖板1的四角对称设置有第三液流孔12和第四液流孔13，所述盖板1的反面延周长方向设置有与第一凹槽14相应设置的第五凸起20，所述盖板1的正面延周长方向设置有第二凹槽15相应设置的第六凸起21；所述第三液流孔12与第一液流孔10连通，第四液流孔13与第二液流孔11连通。
所述第一凹槽14与第五凸起20之间、第二凹槽15与第六凸起21之间通过胶水或密封圈密封。
所述盖板1的反面中央与第一碳毡层4连接，盖板1上与第一碳毡层4连接的部位延第一碳毡层4的长度方向均匀设置有多个斜流路槽22，使得电解液能更靠近双极板流动，充分的浸入碳毡后在离子交换膜上完成反应。且液流可从斜流路槽21由第一碳毡层4的侧面进入第一碳毡层4中，由此可使流场分布更均匀，进一步提高碳毡的利用率。
所述液流框板2上，第一液流孔10与第三液流孔12连接处、第二液流孔11与第四液流孔13连接处均设置有密封结构。所述选密封结构内设置密封圈来实现密封。
所述液流框板2的正面与盖板1的反面、液流框板2的反面与盖板1的正面均相对设置有定位结构23，所述定位结构23设置在液流框板2和盖板1的四角处。所述定位结构23可采用过盈配合的定位结构、卡扣结构等。其中所述过盈配合的定位结构可采用点配位(圆形点、方形点等)、线配位等。
所述双极板和盖板的连接方式有但不仅限于以下几类：
1.为了简化装配工艺流程，减少工件数量，可以将双极板和盖板做成一体；
2.双极板和盖板用自紧密封，靠双极板与盖板的凹凸组合方式形成密封；
3.双极板与盖板之间还可以通过外加材料的方式完成密封：如线密封方式可采用密封圈密封、填料密封等；面密封方式可采用密封胶密封、垫片密封等。
本实施例还提供了一种单板框的氧化还原液流电池电堆，包括多个串联的上述单元结构。前一个单元结构的第二碳毡层6靠近后一个单元结构的双极板层3。
本发明所述的单板框的氧化还原液流单元结构的原理是：在液流框板的正面和反面分别进行反应，再通过双极板导出电流。在液流框板的正面，反应液从其中一个第三液流孔流向对应的一个第一液流孔，再通过该侧的第一流路结构和第二流路结构形成的流路通道均匀分配后浸入碳毡层中，完成反应，反应后的溶液从另一侧的第一流路结构和第二流路结构形成的流路通道依次经另一个第一液流孔、第三液流孔流出。在液流框板的反面，反应液从其中一个第四液流孔流向对应的一个第二液流孔，再通过该侧的第三流路结构和第四流路结构形成的流路通道均匀分配后浸入碳毡层中，完成反应，反应后的溶液从另一侧的第三流路结构和第是流路结构形成的流路通道依次经另一个第二液流孔、第四液流孔流出。
效果验证：
本实施例制备的单板框结构的氧化还原液流电池电堆结构的性能测试结果如下：
采用上述结构组装的5Kw全钒氧化还原液流电池电堆性能测试结果如下：
| 测试项目 | 测试结果 |
| 电堆尺寸 | 39.5*51.0*33.8cm |
| 单元结构数 | 35 |
| 活性面积(碳毡尺寸) | 1104cm2/片 |
| 电解液组成浓度(钒离子浓度) | 1.5mol/L |
| 电流密度 | 100mA/cm2 |
| 输出电压 | 28V-58V |
| 额度输出功率 | 5000W |
| 电压效率 | 86％ |
| 电流效率 | 98％ |
| 能量效率 | 84％ |
如上表所示，本发明制备的电堆测试性能优良，在各个效率方面高于报道的平均水平。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，包括盖板和液流框板，盖板的反面与液流框板的正面连接；所述盖板的中央设置双极板层所述液流框板的中央依次设置第一碳毡层、离子交换膜层和第二碳毡层；所述第一碳毡层靠近双极板层。
2.根据权利要求1所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述第一碳毡层和离子交换膜层设置在液流框板的正面；所述液流框板上与第一碳毡层、离子交换膜层连接的部位设置有阶梯结构，离子交换膜层设置在第一阶梯上，第一碳毡层设置在第二阶梯上。
3.根据权利要求1所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述第二碳毡层设置在液流框板的反面；所述液流框板上与第二碳毡层连接部位设置有阶梯结构，第二碳毡层设置在第三阶梯上。
4.根据权利要求1所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述液流框板的四角对称设置有第一液流孔和第二液流孔，所述液流框板的正面延周长方向设置有第一凹槽，第一液流孔设置字第一凹槽内侧，第二液流孔设置在第一凹槽外侧；
所述第一液流孔与第一碳毡层之间的液流框板上平行设置有第一流路结构和第二流路结构；第一流路结构靠近第一液流孔，由间隔设置的多个第一凸起组成；所述第二流路结构靠近第一碳毡层的一侧面，由间隔设置的多个第二凸起组成。
5.根据权利要求1所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述液流框板的反面延周长方向设置有第二凹槽，第二液流孔设置字第二凹槽内侧，第一液流孔设置在第二凹槽外侧；
所述第二液流孔与第二碳毡层之间的液流框板上平行设置有第三流路结构和第四流路结构；第三流路结构靠近第二液流孔，由间隔设置的多个第三凸起组成；所述第四流路结构靠近第二碳毡层的一侧面，由间隔设置的多个第四凸起组成。
6.根据权利要求1-4任一项所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述盖板的四角对称设置有第三液流孔和第四液流孔，所述盖板的反面延周长方向设置有与第一凹槽相应设置的第五凸起，所述盖板的正面延周长方向设置有第二凹槽相应设置的第六凸起；所述第三液流孔与第一液流孔连通，第四液流孔与第二液流孔连通。
7.根据权利要求5所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述盖板的反面中央与第一碳毡层连接，盖板上与第一碳毡层连接的部位延第一碳毡层的长度方向均匀设置有多个斜流路槽。
8.根据权利要求5所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述液流框板上，第一液流孔与第三液流孔连接处、第二液流孔与第四液流孔连接处均设置有密封结构。
9.根据权利要求1所述的单板框的氧化还原液流电池电堆单元结构，其特征在于，所述液流框板的正面与盖板的反面、液流框板的反面与盖板的正面均相对设置有定位结构，所述定位结构设置在液流框板和盖板的四角处。
10.一种单板框的氧化还原液流电池电堆结构，其特征在于，包括多个串联的权利要求1所述的单元结构。
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